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超寬頻通訊技術UWB

房東:優質少男
發表時間:2007-03-03
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超寬頻通訊技術UWB


什麼是UWB

對數位家庭最有影響的應該就是UWB,Ultra Wide Band超寬頻通訊技術了。UWB是個很特殊的通訊技術,特徵是通訊頻率超高,傳輸頻寬非常大,但是傳輸距離有限。UWB發展好幾十年了,最近被各資訊大廠相中,用來解決數位家庭中所需要的無線頻寬需求,而一如其他技術規格,在制訂時也有些分歧,因此可能會拖延一些推廣進度。

下一代的USB與Bluetooth都可望藉著UWB技術而加以改良,前者是將有線改為無線,後者是增加傳輸頻寬。

若追根溯源,會發現UWB是個非常古老的東西。大部分的教科書指出,是義大利人馬可尼Marconi發明無線電的,當時沒有什麼好用的電子零件,就靠一些線圈開關什麼的,馬可尼以類似『火花Spark』的方式做出了無線電。火花放電的速度非常快,也就是時間很短暫,時間很短暫的意思就是頻率很高,據估計,當然馬可尼的實驗其頻率有擴展到5GHz之譜,不過這邊的頻率是指火花放電的那瞬間,被這些物理現象所干擾到的無線電頻率,火花發生時,在許多頻率都有信號出現,從低頻到超高5GHz都有,並不是說可以一秒鐘傳送5Gbps的資料,馬可尼當年的簡陋電路應該不敢作此夢想。馬可尼之後,有個美國發明家叫做愛迪生,他順手發現了一種講不出所以然的物理現象,叫做愛迪生效應,他當時不看好這個發現的用途,但是後來眾人皆知的真空管就是依照這原理做成的。真空管造就了上個世紀前期的電子工程,可以說,在電晶體發明之前,全靠真空管才使電路存在。由於真空管是電子式控制,不是機械開關方式,所以火花也因此在電路中消失。

火花在電路中的消失是好事,因為機械開關所產生的火花很難控制,一堆不同頻率的信號同時發射出去,會影響到周遭的電子電路,尤其是類比通訊設備。這邊筆者來提供一個簡單電子實驗,沒有危險,也很容易去作。只要找個AM或FM收音機,隨便調個電台,拿到抽水機馬達的旁邊,尤其是比較廉價的馬達,沒有金屬覆蓋可以看透內部的那種,很容易就發現馬達運轉釋放出的火花會讓收音機失效,而且是不同頻率的電台,同時受到干擾。

在一般的類比電路與數位電路之中,都不會有火花的存在,除非是控制電源的開關。就這樣過了幾十年,直到UWB技術在開發時,火花這種瞬間放電現象才又重新出現在電路之中,正確來講,是UWB技術利用類似火花這種瞬間突波在各種頻率都有信號的特點來達成高速通訊,並不是說UWB通訊電路中可以看到嗤嗤作響的火花到處亂竄。一般的通訊技術都會有個中心頻率,稱為載波,電路將我們所希望發送出去的信號放在這頻率上傳送出去,比如說FM廣播,每個電台都有個標示的頻率,像100MHz或是107.5MHz。UWB早期被稱為無載波通訊,因為他同時在許多不同的頻率上發送訊號,也因為他是瞬間一個突波送出信號,所以也稱為突波通訊Impulse。

解決繁雜佈線的絕佳之道

相比於其他的通訊技術,UWB的頻率比較高,頻寬比較寬,在特定頻道上的功率也小很多。現在各大廠推動UWB技術主要是為了數位家庭設想,希望能夠減少布置數位家庭時所需要的麻煩工程。玩過音響的人就知道,一套音響有好幾台機器,後面線路之複雜,根本是蜘蛛築網,如果要加上家庭劇院的功能,那就更麻煩了,5.1聲道的線材,電視與DVD播放機中間都要拉線,不是對音響稍有研究的人恐怕都不敢動手。數位家庭會比這更複雜,想想看,上述的機器都省不掉,還會多台電腦主機,攝影機與電視遊樂器,網路方面也得佈線將機器串起,甚至手機與MP3隨身聽也要拉線到主機,這樣安置好一個數位家庭後,家中電線的長度總有一天會超過一公里。

上述情況目前科技能幫上忙的定不多,最後還是要走到無線通訊的解決方案。但目前的通訊技術頻寬有限,以現在常見售價也很合理的802.11g來說,要承載HDTV即時播放是沒有問題,可以在電腦與數位電視中順利傳輸,但是當家中其他成員也有無線頻寬需求時,這些頻寬就顯得捉襟見肘。所以增強數倍頻寬是必要的,而且短距離即可,不需要太長,畢竟大部分的人不會把電腦跟螢幕分開幾十公尺安置。

以現在發展中的UWB來說,頻率大約是在3.1GHz到10.6GHz之間,涵蓋範圍非常廣,相對傳輸頻寬就會受到距離的影響,以目前的技術來說,在三公尺時可以提供480Mbps的傳輸頻寬,但是到十公尺時就降到100Mbps了。以上的數據只能說是個大概的數字,未來可能還有變化,畢竟UWB是個還在制訂中的規格。

正努力於UWB規格的廠商有破百間,大部分都是專注於一小領域,只有大廠才有辦法主導主要的設計結構。之前主要有兩大派,一邊是英特爾帶頭的MBOA技術,另一方是Freescale主導的DS-UWB技術, 既然分為兩大陣營,國際電子電機工程協會(IEEE)便試圖協調解決這一僵局,三年前成立工作小組,目標是制訂IEEE 802.15.3a UWB技術規格,但是三年後依然協調不出大家可接受的結果,最後在今年年初時工作小組同意自我解散,而同時Freescale這邊因為支持者,最後勝出的機率不高,未來UWB就看英特爾這邊的進度。

雖然現在等於是英特爾在主導,但這樣對他們來說未必是好事。PC產業走的是標準規格路線,尤其是有IEEE等國際組織背書的標準更好,現在少了這個招牌,難保許多大廠會有足夠的配合度。而這種希望能普及的通訊規格一旦產生分歧,不相容的現象,對市場的推廣勢必會有影響。英特爾這邊成立的組織稱為WiMedia Alliance,網址是www.wimedia.com,擁有超過兩百個會員公司,現在已經完成大部分設計,包括MAC與PHY等電路設計。WiMedia是由英特爾所主導,實驗室也設在英特爾這邊,制訂進度相當快,今年已經有過展示,將會盡快制訂好規格,因為UWB的制訂不只是影響UWB而已,這還牽涉到下一代的USB與Bluetooth規格的升級。

UWB、USB與Bluetooth

雖然尚未有統一標準出現,但是積極制訂UWB規格的兩大陣營已經推出晶片。圖中是DS-UWB陣營這邊的產品XS110,特別一提的是,裡面有部分是在台積電所生產的,可達114Mbps。

講了這樣多UWB,到底UWB是什麼?UWB是一種通訊技術,英特爾等大廠想用UWB來作通訊,此技術制訂出來後,依據制訂者的不同會有不同的名字。但是UWB既然是一種通訊技術,便可以整合在別的通訊規格內,變成一種新的通訊規格。現在要整合UWB技術的有兩大現有規格,USB與Bluetooth藍芽。根據藍芽技術的官方組織盟Bluetooth SIG的告示,他們日前宣布將納入WiMedia Alliance的MB-OFDM UWB技術,並且已經得到Bluetooth組織的核准,會用一年的時間來融合兩項技術。藍芽技術其實蠻好用的,街上到處看得到有人耳朵上掛個手機麥克風,重量輕,電力也持久,這全是藍芽技術之賜。

現有的藍芽技術好歸好,就是頻寬不夠,所以之前發佈的藍芽2.0版一口氣提高三倍速度,只是要作於高畫質影音技術還是有所不足,一旦加入UWB,即可達成驚人的110Mbps,足足提升了一百倍以上,可以讓藍芽裝置不要老是限制在耳機、無線電等低頻寬裝置。至於在USB這邊也是相同的狀況,USB是由英特爾所開發的規格,對於要怎樣升級當然擁有相當的主導權。英特爾這邊在將USB從第一代的12Mbps提升到第二代的480Mbps之後,在電腦周邊市場非常成功,現在幾乎各種周邊只要想與個人電腦連線的,一定是將USB列為首要選項。

USB的下一步升級並不是再提高速度,而是要無線化。只要USB可以達成這目標,屆時電腦後面的各種纜線便可以去掉大半,而且因為是向下相容的USB技術,大部分的應用程式都不用改寫,不但對數位家庭市場有幫助,還可以繼續服務原先客戶。據估計,現在全世界有超過十億個USB裝置插在個人電腦上,預計到今年2006年年底將會超過三十五億個,未來在UWB技術的協助下,將會提供我們更多的便利。也許這一兩年不見得會有直接標示為「UWB」的通訊產品出現,但是年底時無線USB (WUSB, Wireless USB)與新版的Bluetooth將會證實UWB的強大威力。




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